Nature背靠背｜幹細胞壞死導致自發性腸道炎症的分子機制

責編 | 兮

細胞死亡是生命活動的基本現象，也是維持機體穩態的重要機制

【1,2】

。依據其發生過程中的形態學變化及具體分子機制，可以將其分為凋亡（Apoptosis），壞死樣凋亡（Necroptosis），焦亡（Pyroptosis），鐵死亡（Ferroptosis），自噬性死亡（Autophagic cell death）等死亡方式

【3,4】

。細胞死亡在機體抵抗病原體感染中發揮重要作用，是天然免疫應答過程中的重要機制。

被感染細胞的死亡對病原體感染的抑制是透過多個途徑實現的：一方面，被感染細胞的死亡會使得病原體失去複製場所，直接暴露於巨噬細胞等免疫細胞，進而被這些免疫細胞識別並清除

【5,6】

；另一方面，被感染細胞的死亡伴隨著細胞內容物的分泌與釋放，會誘發區域性免疫炎症反應，在招募炎性細胞的同時，參與啟用並調控獲得性免疫應答

【6-10】

。在一些非感染的自發性炎症疾病中往往伴隨著細胞死亡的現象，鑑於壞死樣凋亡強烈的促炎效應，它是否參與自發性炎症疾病過程？

2020年3月25日，細胞應激生物學國家重點實驗室，廈門大學生命科學學院

莫瑋

課題組和

韓家淮

課題組合作在

Nature

雜誌上發表題為

Nature

的研究文章，

“Gut stem cell necroptosis by genomeinstability triggers bowel inflammation”

在真核生物的基因組中，存在大量不編碼序列，其中就包含了一系列叫做

“Gut stem cell necroptosis by genomeinstability triggers bowel inflammation”

（ERVs）的序列。其在人體內含量豐富，含有不同家族，複製數眾多，大約佔基因組的8-10%。ERVs類似於逆轉錄病毒，它的活躍會引起基因組不穩定以及啟用細胞內固有免疫。為了維繫細胞的穩態，絕大多數ERVs需要被DNA甲基化或組蛋白H3K9位點三甲基化修飾，使其處於靜默狀態。

作者發現在健康的腸幹細胞中是透過SETDB1（H3K9位點三甲基化甲基化轉移酶）對ERV區域進行特定的組蛋白三甲基化修飾從而抑制內源性逆轉錄病毒的啟用，以保證基因組的穩定性，維持腸幹細胞穩態以及腸道上皮的完整性。而在炎性腸炎（Inflammatory bowel disease，

報道了腸道幹細胞中基因組不穩定啟用ZBP1-RIP3-MLKL軸引發幹細胞壞死，導致自發性的腸道炎症。

）病人樣品中，SETDB1表達量在腸幹細胞區域有明顯的下降。由於SETDB1在腸道幹細胞區域特異性的高表達，在腸道上皮或者僅在腸道幹細胞中敲出Setdb1後，小鼠腸道都會產生類似於人IBD的自發性炎症。

透過對Setdb1敲除以後一系列時間點的表達譜比較，作者發現再生型腸幹細胞的基因

內源性逆轉錄病毒

在Setdb1敲除後的第二天就開始高表達，表明Lgr5+幹細胞死亡是腸道炎症的早期事件。在IBD病人樣品中，SETDB1的表達和基因組的不穩定性呈負相關；在敲除Setdb1的第二天，小鼠腸道隱窩（幹細胞區域）細胞就出現基因組不穩定性，由此，作者認為Setdb1敲除引起的基因組不穩定性和幹細胞死亡是後期腸道炎症的驅動事件。

在鑑定哪一種細胞死亡型別的研究中，作者充分利用小鼠遺傳工具，發現只有在腸炎小鼠中將necroptosis通路中的RIP3或MLKL敲除，才能阻止腸道幹細胞的死亡。經典的壞死通路的訊號來自於細胞外的腫瘤壞死因子（TNF）並依賴於RIP1的激酶活性。但是在離體類器官（organoid）培養中， RIP1激酶抑制劑並不能抑制Setdb1敲除organoid的解體排除經典壞死通路的可能性。

在壞死樣凋亡中，RIP1和RIP3，RIP3和RIP3間透過兩者共有的RHIM結構域相互結合。ZBP1是另外一個具有RHIM結構域的蛋白。之前的工作發現少數病毒，比如流感病毒IAV，小鼠鉅細胞病毒（MCMV）可以透過ZBP1啟用壞死。在非感染情況下，ZBP1介導的壞死只有在RIP1 RHIM結構域突變的小鼠上發現

IBD

，但是其生物學意義和機制仍是未知。3月17號的

Clu

雜誌報道了IAV啟用ZBP1起始壞死的具體機制。

Siddharth課題組發現 IAV產生的ZRNA是促發壞死的死亡訊號（Cell亮點 | 張霆/尹超然等揭示流感病毒如何導致細胞程式性壞死——左手螺旋核糖核酸（Z-RNA）：一種新的病原相關分子模式）

【11】

。本文作者透過對轉錄組的KEGG分析，發現

Cell

。透過對結合在ZBP1上的核酸進行測序分析，發現這些核酸是

Cell

。

ZBP1的N端有結合核酸的結構域，如果將此結構域剔除，Setdb1敲除導致的腸幹細胞死亡可被抑制。由此，作者認為，Setdb1的缺失使得ERV重新活躍，破壞了基因組的穩定性，大量積累的ERV RNA作為死亡訊號，結合並激活ZBP1啟動壞死樣凋亡。

不論透過小分子化合物，還是遺傳上刪除Zbp1抑制壞死樣凋亡都能夠消除小鼠腸道自發性炎症，這樣的結果證明了ZBP1介導的壞死在非感染性炎症中重要病理作用。此外，透過與浙醫二院，福醫大附一院和中山六院的合作，在獲取的IBD病人的病理樣品和活檢樣品中發現SETDB1下調，ZBP1上調，基因組的不穩定性發生以及細胞程式性壞死啟用等證據，為研究成果的轉化提供了紮實的基礎。

【12】

莫瑋課題組博士研究生

在Setdb1敲除的腸幹細胞中，有大量類病毒的積累

和韓家淮課題組

ERV RNA

助理教授為該論文共同第一作者；

該研究提出內源性的逆轉錄病毒是IBD自發性炎症的來源，為IBD的成因提出一個新的機制，為靶向治療炎性腸道疾病提供了一個新的思路。

教授和

王瑞聰、李洪達、蔡治煜

院士為該論文共同通訊作者。

值得一提的是，同期

吳劍鋒

還發表了來自德國科隆大學

莫瑋

課題組題為“

韓家淮

”的類似研究工作，揭示了Z型核酸啟用ZBP1-RIP3-MLKL軸導致的細胞壞死和炎症的機制。綜合上週線上的

Nature

文章，至此

Nature

製版人：小嫻子

Manolis Pasparakis

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同時期有三篇文章從不同角度報道揭示了Z-RNA啟用ZBP1-RIP3-MLKL通路導致細胞壞死和炎症的機制，更多的讓我們對細胞壞死有了新的認識，具有十分重要的意義。

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